Талшықты – оптикалық «кабель – сенсорлар» бағытындағы зерттеулер

Талшықты – оптикалық «кабель – сенсорлар» бағытындағы зерттеулер
Наурыз Қ.Ж., аға оқытушы
«Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар» кафедрасы,
энергетикалық факультеті
С.Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық университеті,
Нұр-Сұлтан қаласы, Қазақстан
Соңғы он жылда талшықты - оптикалық кабель – сенсорлардың қолдану
аясы кеңіп, ғалымдар тарапынан әртүрлі шешімдер ұсынылды. Төменде сол
бағытта әлемнің беделді ғылыми журналдары мен конференциялары
жинақтарында жарияланған еңбектерден қысқаша мағлұматтар береміз [1].
Ютака Хаякава «Yokogawa Technical Report English Edition» басылымында
«Температуралық мониторинг шешімін таратылған температура сенсоры
есебінде DTSX200 талшықты - оптикалық кабельді пайдалану» мақаласында
соңғы жылдары қауіпсіздікті (өртті анықтау және газдың кенеттен ортаға
бөлінуін анықтау) және жабдықты диагностикалау қажеттілігіне деген
сұраныстың күшейе бастағаны туралы айтылған. Температураны бақылау
туралы айтатын болсақ, бұл қажеттіліктерді терможұп пен резестивті
температура детекторлары (RTD) сияқты температуралық сенсорлармен
қамтамасыз ету қиын. Yokogawa талшықты - оптикалық кабелі таратылған
температура сенсорлары (DTS) есебінде бір мезгілде, үздіксіз және сенімді түрде
төселген талшықты - оптикалық кабельдер арқылы барлық белгілі бір аумақта
температураларды бақылай алады. Төмендегі 1 - суретте өндірісті басқару
(мониторингтеу) жүйесінің мысалы берілген [2, 1].

Сурет 1. Өндірісті басқару (мониторингтеу) жүйесінің мысалы

Оптикалық талшық қазіргі кезде құрылымдық және геотехникалық
мониторинг жобаларында қолданылатын технологиялардың бірі. Сенсорлар
нүктелік, мультиплекстік, базалы ұзын немесе таратылған сенсорлар болып
жіктеледі. Олардың әрқайсысы келесі қағидаларға негізделген: Брэгг торшасы,
SOFO, Фабри - Перо, Раман, Рэлей және Бриллюэн. Таратылған сенсорлық
кабельдер ішкі сипаттамаларына сай көлденең немесе тік өзгерісті
конструкцияларда кең қолданылады. Таратылған ТОК - сенсорлы кабельдер ұзақ
қашықтықта деформацияны оқшаулау мен сандық түрде беруге, температураны
анықтауға қабілетті. Бұл сенсорлар нақты уақыт режимінде, әр метрде және
бірнеше ондаған шақырымдық кабель арқылы келесідей ақпарат тарата алады:
ағып кету, шөгінділер, эрозия, топырақтың сұйылуы, ақаулар, істен шығуларды
үздіксіз бақылау мен ерте анықтауға, оқшаулауға және мөлшерлеу. Бөгеттің
апатты бұзылу режиміне көлбеу тұрақсыздығы, жер сілкінісі, деңгейден асып
кетуі, судың ағып кетуі, іргетас және құрылымдық мәселелер кіретіндіктен
бақылаудың әр түрлі әдістерінің қоспасына басымдық беріледі. 2 - суретте
зерттеу жұмысында қолданылған температураның таралуын көрсететін DiView
деректерді басқару және талдау бағдарламалық жасақтамасының интерфейсін
көруімізге болады [3].

Сурет 2. Температураның таралуын көрсететін DiView деректерді басқару және
талдау бағдарламалық жасақтамасының интерфейсі
Мониторинг
жүйесі
технологиясының
дамуы
жер
асты
инфрақұрылымының қауіпсіздігі мен дұрыс жұмысына әсер ететін көптеген
параметрлерді белгілі бір уақыт аралығында дәлірек өлшеуге мүмкіндік береді.
Таратылған талшықты - оптикалық сенсорларды (DFOS) пайдалану арқылы
жерасты инфрақұрылымын бақылау құралдары аталған мақалада келтірілген.
DFOS қолдану саласы қарқынды дамып келеді және бөлінген инвестициялар
халықаралық деңгейде көрінуде. Сондай - ақ, мақалада қолданыстағы кәріз
желілерін қайта құруда қолданылатын құбыр желілері мен жұқа қабырғалы

шыны талшық панельдерінің деформациясын бақылау үшін DFOS қолдану
бойынша зерттеулердің алдын - ала нәтижелері келтірілген. Келесі 3 - суретте
мақала барысынан ақпарат беретін DFOS жұмыс принциптері мен нүкте мен
DFOS арасындағы айырмашылық көрсетілген [4, 2].

Сурет 3. DFOS жұмыс принциптері (сол жақта) және нүкте мен DFOS
арасындағы айырмашылық (оң жақта)
Қазіргі кезде азаматтық инфрақұрылым жүйелерінің жай - күйін
мониторингтеу қуатты құралға айналды. Инфрақұрылымның жай - күйін бағалау
үшін заманауи телекоммуникациялық технологияларды қолдана отырып,
қажетті құрылымдарды кен орнынан бірнеше шақырым қашықтықта орналасқан
орталық станциядан мезгіл - мезгіл бақылап отыруға болады. Мұндай
мониторинг жүйесі қашықтықтан мүмкіндікті анықтап, алдын - ала мүмкін
болатын қауіпті азайту үшін тиісті шараларды тез арада қабылдау үшін
мүмкіндік береді. Құбырлар сияқты кеңістіктік бөлінген құрылымдардың
жұмысын бақылаудың салыстырмалы жаңа технологиясысы болып талшықты оптикалық сенсорлар болып табылады. Деформация мен температураны
өлшеуге арналған қолданыстағы құрылғылар бар, мысалы, дискретті FBG (Fiber
Optic Bragg Arrays) және Raman DTS (Distribrated Temperature Sensor) және
Brillouin Time Domain Reflectometry (BOTDR). Бриллюэн оптикалық
рефлектометрия бойынша зондтау ұзындығы әдетте 100 км құрайды. Ал,
таратылған талшықты - оптикалық зондтау температураны және/ немесе
деформацияны бір талшық бойымен мыңдаған нүктелерде өлшеу мүмкіндігін
ұсынады. Аталған мақалада авторлар осы талшықты - оптикалық технологиялар
туралы қысқаша шолу жасайды, осы технологиялардың геотехникалық
қосымшалардағы әлеуетті қолдануларын және су құбырларын бақылау үшін
BOTDR қолдану тәжірибесін сипаттайды. Келесі 4 - суретте оптикалық
талшықты сенсорды негізгі тұжырымдамасы берілген [5].

Сурет 4. Оптикалық талшықты сенсорды негізгі тұжырымдамасы
Геотехникалық тұрақтылық - бұл тоннельдер, теміржол станциялары,
шахталар мен гидроэнергетикалық камералар сияқты жер асты
инфрақұрылымдарының ұзақ мерзімді қауіпсіздігі мен тұтастығы. Тиімді
геотехникалық бақылау (мониторинг) жүйесі күтпеген үлкен ақаулар мен істен
шығулар алдында персоналға тиісті ескерту жасауға қабілетті. Авторлар бұл
мақаласында дәстүрлі геотехникалық мониторинг сенсорларын жаңадан пайда
болып жатқан талшықты - оптикалық зондтау (FOS) әдістерімен салыстырып,
олардың ерекшеліктері мен айырмашылықтарын көрсеткен. FOS - ға негізделген
мониторинг жүйелері, сонымен қатар таратылған оптикалық сенсорлар
(Brillouintime және Fiber-Optic Bragg Array (FBG) сенсорларын қоса алғанда)
саласындағы соңғы жетістіктер зертханалық зерттеулер мен жерасты
геотехникалық бақылау үшін қолданылатын далалық қосымшаларды сыни
тұрғыдан қарау арқылы зерттеледі. Әсіресе, талшықтарды орауға,
температуралық өтеуге (компенсациялауға), жер асты жағдайындағы
жабдықтың қондыру тәсілдеріне мен сипаттамаларына ерекше назар
аударылады. Мақалада берілген жер астындағы көмір шахталары үшін нақты
уақыт режиміндегі кешенді мониторинг жүйесін ұйымдастыру сұлбасы келесі 5
- суретте берілген [6].

Сурет 5. Жер астындағы көмір шахталары үшін кешенді мониторинг жүйесін
ұйымдастыру сұлбасы

Соңғы екі онжылдықта инженерлік қоғамдастықта талшықты - оптикалық
сенсорларға негізделген инновациялық сенсорлық жүйелердің едәуір саны
қолданылды, өйткені олардың кішігірім өлшемдері, салмағы, электромагниттік
кедергілерге (EMI) және коррозияға төзімділігі, оларды кіріктіру мүмкіндігі
сияқты артықшылықтарын айтуға болады. Көпірлер, ғимараттар, туннельдер,
құбырлар, жел турбиналары, теміржол инфрақұрылымы және геотехникалық
құрылымдар сияқты әртүрлі инженерлік құрылымдарды нақты уақыт режимінде
өлшеу және бағалау үшін әртүрлі талшықты - оптикалық мониторинг жүйелері
жасалған. Авторлардың ұсынып отырған шолу мақаласының мақсаты әртүрлі
талшықты - оптикалық сенсорлардың негізгі принциптерін, сенсор мен есептеу
әдістемесіндегі жаңалықтарды, жаңа талшықты - оптикалық сенсорларды
құрастырудағы және оның құрылымдарының беріктілігі, талшықты - оптикалық
сенсор технологияларын қолданудың тәжірибелік мәртебесін, азаматтық
инфрақұрылымға мониторинг (SHM) жүргізуді сипаттау болып табылады.
Келесі 6 - суретте мақалада жарияланған EFPI сенсорының өлшеу принципі
берілген [7, 2].

Сурет 6. EFPI сенсорының өлшеу принципі
ТМД елдерінде, соның ішінде Қазақстанда да осы бағытта көптеген
ғылыми жұмыстар атқарылуда. Төменде талшықты – оптикалық кабель –
сенсорлар бағытындағы ТМД елдеріндегі зерттеу жұмыстарына қысқаша
тоқталамыз [1].
Соның бірі монографиялық жұмыс болып табылады. Аталған ғылыми
жұмыста жаңа буын өлшеу құралдарының, атап айтсақ интеллектуальды
ақпараттық - өлшеу құралдары мен жүйелерінің негізгі сезімтал элементтері
ретінде талшықты - оптикалық сенсорлардың физикалық шамаларының
физикалық және техникалық негіздері ұарастырылған. Оптикалық - талшықты
сенсорларының негізгі түрлерінің жіктелуін, жұмыс істеу принциптерінің және
бірыңғай әдістемелік тәсілін ұсынады. Дара, шоғырланған және амплитудалық,
поляризациялық, фазалық және туннельдік тарамдалған (үлестірілген)
оптикалық талшықты сенсорлар деректері берілген. Сонымен қатар еңбекте
сенсорларды үлестірілген өлшеу жолдарына, жүйелер мен кешендерге біріктіру
принциптері мен схемалары берілген. Талшықты – оптикалық сенсорлармен

жүйелердегі сигналды өңдеудің инттеллектуальділендіру принциптері мен
жолдары анықталған [8].
Заманауи ақпараттық - өлшеу жүйелеріне (IMS) қойылатын маңызды
талаптарға өлшеу дәлдігі мен жоғары сенімділігі жатады. Сонымен қатар,
абсолютті ұшқын мен жарылыстың қауіпсіздігі, электромагниттік кедергінің
күшті әсер ету жағдайында жұмыс істеу мүмкініділігі талаптары жиі кездеседі.
Дәстүрлі IMS қарағанда, талшықты оптикаға негізделген IMS кейінгі талаптарға
жауап береді. Абсолютті ұшқын мен жарылыс қауіпсіздігінің талаптарына жауап
беретін талшықты - оптикалық сенсорларды (FOS) қолдану жалпы IMS
қауіпсіздігін айтарлықтай арттыра алады [9, 2].
Ұзындықты көліктік объектілер инфрақұрылымының, атап айтсақ
теміржол магистралі сияқты, автомобиль жолдары, аэропорт периметрлері және
т.б. кешенді қауіпсіздігі мәселелеріне әр түрлі аспектілер кіреді. Авторлар өз
мақаласын объектілер инфрақұрылымына рұқсат етілмеген кіруді болдырмау
үшін және тұрақты тәулік бойы бақылауды қажет ететін іс - шараларды толық
ұсына алатын ұзындықты мониторинг жүйелерін құру мәселелеріне арнаған.
Ұзындықты көлік объектілері инфрақұрылымын мониторинг жүйесін құруда
таралған (үлестірілген) жасанды интеллекті «ВОРОН™» сериялы оптикалық талшықты сенсорлық жүйені қолдану мысалында жүргізеді. Аталған жүйе
байланыс жолы ( жолдық) және аппаратты бөліктерден тұрады. Жолдық бөлік
шекара бойымен немесе күзет объектісінің периметрі бойынша орнатылады. Ал,
аппараттық бөлікте әдетте жауап беру орталығы немесе ситуациялық орталығы
орналасқан бөлмеде болады. Келесі 7 - суретте
«ВОРОН™» таралған
(үлестірілген) талшықты – оптикалық сенсорлық жүйесінің орнату мысалы
берілген [10].

Сурет 7. «ВОРОН™» таралған (үлестірілген) талшықты - оптикалық сенсорлық
жүйесінің орнату мысалы
Ақпаратты тарату үшін қолданылатын талшықты - оптикалық кабельдер
деформацияны, дірілді және басқа механикалық әсерлерді өлшеуге арналған
сенсорлар ретінде пайдалануға болады. Мұндай сенсорлар қазіргі заманғы
қауіпсіздік жүйелерінде, атап айтқанда, периметрлік қоршауларды қорғауға
арналған сигналдық желілерді құру үшін кең қолданылады. Талшықты оптикалық технологиялардың тартымдылығы бірнеше факторлармен

анықталады. Мұндай сенсорлар электромагниттік сәулеленуге қарсы және
электр қауіпсіздігі жоғары. Сонымен қатар, көп жағдайда кең ауқымда
өндірілетін, құны арнайы жасалған кабель сенсорларының құнынан төмен
өндірістік байланыс кабельдері сенсорлар ретінде қолданыла алады. Келесі 8 суретте көп аймақтық күзет жүйесінің құрылымдық схемасы берілген [11, 2].

Сурет 8. Көп аймақтық күзет жүйесінің құрылымдық схемасы
Келесі ғылыми еңбекте талшықты – оптикалық Брэгг торы негізіндегі
температураны өлшеуге арналған сенсорын үлгілеу мен зерттеу болып
табылады. Жұмыста талшықты – оптикалық Брэгг торы сенсоры бағытындағы
ғылыми жұмыстар зерттеліп, талданды. Осы Брэгг торы сенсорында орын
алатын физикалық процесстер кең ауқымда қарастырылды. Жұмыстың келесі
бөлімдерінде ғылыми тәжірибе өткізуде жасақталған зертхана ұйымдастыру
сұрақтары қарастырылса, кейінгі бөлімдерінде тәжірибе қорытындысы жасалып,
Брэгг торы сенсорының математикалық үлгісі жасалып, компьютерлік талдауы
жасалды [12].
Қолданылған дереккөздер тізімі
1 Серикпай Н. «Сарыарқа» газ құбыры бойында ТОК – сенсорын қолданып
мониторинг жүйесін ұйымдастыру» ДИПЛОМДЫҚ ЖОБА. 5В071900 –
«Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар» мамандығы.Нұр Сұлтан 2021. С.Сейфуллин атын. ҚазАТУ. - 91 б.
2 Yutaka Hayakawa. Temperature Monitoring Solution Using DTSX200 Fiber
Optic
Distributed
Temperature
Sensor.
URL:
https://webmaterial3.yokogawa.com/1/11296/tabs/rd-te-r05701-003.pdf
3 Ivan Cottone. Fiber Optic Structural Health Monitoring for Dams. URL:
https://roctest.com/wp-content/uploads/2017/01/Fiber-Optic-Structural-HealthMonitoring-for-dams-paper.pdf

4 B. Bednarz, P. Popielski. Using distributed fiber optic sensors to monitor
underground infrastructure // Water Practice and Technology (2020) 15 (3): p. 697 704. URL: https://doi.org/10.2166/wpt.2020.058
5 P. Rajeev, J. Kodikara, W.K.Chiu, T. Kuen. Distributed Optical Fibre Sensors
and
Their
Applications
in
Pipeline
Monitoring.
URL:
http://www.criticalpipes.com/wp-content/uploads/2013/05/Distributed-Optical-FibreSensors-and-Their-Applications-in-Pipeline.pdf
6 Hongkui Gong Mehmet S. Kizil Zhongwei Chen Moe Amanzadeh BenYang
Saiied M.Aminossadati. Advances in fibre optic based geotechnical monitoring
systems for underground excavations // International Journal of Mining Science and
Technology Volume 29, Issue 2, March 2019, p. 229-238. URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095268617306122
7 X.W.Ye, Y.H.Su, J.P. Han. Structural Health Monitoring of Civil
Infrastructure Using Optical Fiber Sensing Technology: A Comprehensive Review.
URL: https://www.hindawi.com/journals/tswj/2014/652329/
8 Буймистрюк Г. Я. Информационно-измерительная техника и технология
на основе волоконно - оптических датчиков и систем: монография - СПб: ИВА,
ГРОЦ Минатома, 2005. – 191 c.
9 Бростилов С. А., Бростилова Т. Ю. Волоконно - оптические кабели для
волоконно - оптических датчиков // НиКа. 2014. №. URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/volokonno-opticheskie-kabeli-dlya-volokonnoopticheskih-datchikov-1 (дата обращения: 24.03.2021).
10 Ю.А. Русанов, А.Ю. Русанов. Мониторинг протяженных объектов
транспортной инфраструктуры на основе распределенных волоконнооптических сенсорных систем с искусственным интеллектом серии «ВОРОН™».
URL: http://www.neurophotonica.ru/docs/PriklRadiofiz_ST.pdf
11А. Куликов, А. Игнатьев. Обзор волоконно – оптических систем охраны
периметра. URL: https://algoritm.org/arch/10_4/10_4_28.pdf
12 Смайлов Н.Қ. Талшықты - оптикалық Брэгг торы негізінде температура
сенсорын модельдеу және зерттеу. 6D071900-«Радиотехника, электроника және
телекоммуникациялар». Философия докторы (PhD) дәрежесін алу үшін
дайындалған диссертация, Қазақстан Республикасы Алматы, 2017. - 144 б.